Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
Dans ce mémoire nous présentons des sources ultra-froides utilisant des condensats de Bose-Einstein pour des applications en interféromètrie et physique atomiques.Nous produisons un laser à atomes de 87Rb par couplage Raman. Initialement piégés magnétiquement, les atomes sont transférés dans un état insensible aux champs magnétiques et tombent sous l effet de la gravité. Nous montrons qu à l inverse d une méthode d extraction Radio-Fréquence l impulsion transfe rée aux atomes permet de réduire la divergence et d améliorer le profil spatial du faisceau atomique. Nous prouvons que chacun des deux faisceaux Raman peut être utilisé indépendemment pour diffracter le laser à atomes de manière efficace et cohérente en utilisant une fraction de lumière rétro-diffusée pour créer un réseau de diffraction de Bragg. Enfin, nous étudions théoriquement la dynamique des lasers à atomes extraits par couplage RF.Dans une seconde partie, nous détaillons les améliorations apportées au dispositif expérimental permettant de condenser des atomes d hélium métastable (4He*). Nous décrivons l ensemble du nouveau système laser destiné au piégeage et au ralentissement des atomes, ainsi qu à leur transfert dans des pièges optiques. L ajout d un multiplicateur d électrons fournit une méthode de détection non-destructive en temps réel fondée sur les collisions Penning. Enfin, nous présentons un nouveau piège magnétique à grande accessibilité optique, conçu et construit pour produire un condensat d atomes 4He* et le transférer, in situ, dans un réseau optique à 3 dimensions.
Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de l'optique atomique. Ce manuscrit décrit les trois sujets traités pendant ma thèse. Dans un premier temps mon travail a été de construire une nouvelle expérience permettant de produire des condensats de Bose-Einstein. Nous nous intéressons d'abord au dispositif utilisant le refroidissement laser et l'évaporation micro-onde permettant d'obtenir un nuage d'atomes froids dans un piège magnétique quadrupolaire. Nous présentons ensuite les montages optiques permettant d'obtenir les différents faisceaux laser nécessaires au fonctionnement du dispositif. Enfin, nous détaillons le protocole permettant de produire des condensats de Bose-Einstein dans notre piège hybride combinant les avantages d'un piège magnétique à ceux d'un piège dipolaire et nous le caractérisons à l'aide d'une méthode d'analyse statistique nommée Analyse par Composante Principale. Le deuxième sujet concerne l'étude de la propagation d'une onde de matière dans un réseau de taille finie. Nous démontrons le piégeage d'atomes dans une cavité de Bragg produite par l'enveloppe gaussienne d'un réseau optique. Les atomes confinés dans le réseau oscillent et nous observons le découplage du réseau de paquets d'atomes par effet tunnel, démontrant ainsi un nouveau type de barrières tunnel. L'étude de la probabilité de transmission à travers ce type de barrières montre qu'elles sont équivalentes à des barrières répulsives submicronique. Enfin, de manière théorique, nous étudions un formalisme basé sur la fonction de Wigner et l'utilisation d'une loi d'échelle permettant d'imaginer des protocoles de manipulation de fonctions d'onde à N corps dans l'espace des phases. Nous appliquons d'abord ce formalisme à un protocole de refroidissement en deux étapes, impliquant un temps de vol et l'application soudaine d'un potentiel harmonique. Nous discutons ensuite l'effet des interactions répulsives entre atomes et de l'anharmonicité du potentiel. Enfin nous proposons deux protocoles de manipulations de fonctions d'onde dans l'espace des phases. Le premier est un protocole de refroidissement analogue au protocole en deux étapes mais dont la robustesse est augmentée vis-à-vis d'un défaut du potentiel appliqué. Le deuxième protocole proposé permet d'accélérer le mode de respiration d'un nuage d'atomes dans un piège décomprimé.
Mon travail de thèse s'inscrit dans le développement de l'optique atomique. Ce manuscrit décrit les trois sujets traités pendant ma thèse. Dans un premier temps mon travail a été de construire une nouvelle expérience permettant de produire des condensats de Bose-Einstein. Nous nous intéressons d'abord au dispositif utilisant le refroidissement laser et l'évaporation micro-onde permettant d'obtenir un nuage d'atomes froids dans un piège magnétique quadrupolaire. Nous présentons ensuite les montages optiques permettant d'obtenir les différents faisceaux laser nécessaires au fonctionnement du dispositif. Enfin, nous détaillons le protocole permettant de produire des condensats de Bose-Einstein dans notre piège hybride combinant les avantages d'un piège magnétique à ceux d'un piège dipolaire et nous le caractérisons à l'aide d'une méthode d'analyse statistique nommée Analyse par Composante Principale. Le deuxième sujet concerne l'étude de la propagation d'une onde de matière dans un réseau de taille finie. Nous démontrons le piégeage d'atomes dans une cavité de Bragg produite par l'enveloppe gaussienne d'un réseau optique. Les atomes confinés dans le réseau oscillent et nous observons le découplage du réseau de paquets d'atomes par effet tunnel, démontrant ainsi un nouveau type de barrières tunnel. L'étude de la probabilité de transmission à travers ce type de barrières montre qu'elles sont équivalentes à des barrières répulsives submicronique. Enfin, de manière théorique, nous étudions un formalisme basé sur la fonction de Wigner et l'utilisation d'une loi d'échelle permettant d'imaginer des protocoles de manipulation de fonctions d'onde à N corps dans l'espace des phases. Nous appliquons d'abord ce formalisme à un protocole de refroidissement en deux étapes, impliquant un temps de vol et l'application soudaine d'un potentiel harmonique. Nous discutons ensuite l'effet des interactions répulsives entre atomes et de l'anharmonicité du potentiel. Enfin nous proposons deux protocoles de manipulations de fonctions d'onde dans l'espace des phases. Le premier est un protocole de refroidissement analogue au protocole en deux étapes mais dont la robustesse est augmentée vis-à-vis d'un défaut du potentiel appliqué. Le deuxième protocole proposé permet d'accélérer le mode de respiration d'un nuage d'atomes dans un piège décomprimé.
Dans ce mémoire nous présentons une étude sur les sources atomiques pour des senseurs atomiques à long temps de vol ainsi que la construction de deux sources atomiques. Dans un premier temps, nous montrons que les propriétés de collimation et de cohérence nécessaires à l interférométrie atomique à long temps de vol peuvent être fournies par les gaz atomiques dégénérés et nous explicitons le lien entre le facteur d échelle du senseur inertiel et la géométrie de l interféromètre. Puis, nous étudions la possibilité de conduire des expériences de senseurs inertiels par interféromètrie atomique en chute libre dans un avion. La microgravité ainsi créée peut permettre d accéder à 4 secondes de temps d interrogation, et nous explicitons un protocole pour tester le principe d équivalence par interféromètrie atomique pendant cette période de chute libre. Nous décrivons la source d atomes froids que nous avons construit et testé en microgravité. Enfin, nous consacrons une part importante de ce mémoire à la description d un nouveau montage expérimental dont le but est de produire un mélange bosons-fermions dégénéré. Nous décrivons et caractérisons les technologies développées, telles que les nouveaux lasers semiconducteurs accordables et le piège optique compressible. Nous présentons les premiers résultats de chargement d atomes froids dans une pince optique utilisant un laser inédit pour le piègeage atomique, un laser à fibre à 1560nm. Nous utilisons le fort décalage lumineux, unique à notre système, pour développer une nouvelle technique d imagerie, sélective en énergie potentielle.
Ce mémoire de thèse présente les travaux que j'ai réalisés à Toulouse entre 2020 et 2024 au Laboratoire Collisions Agrégats et Réactivité (LCAR) dans l'équipe d'interférométrie atomique et au Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes (LAAS-CNRS) dans l'équipe de photonique. Ces travaux ont conduit à la conception d'une nouvelle source d'atomes de Rubidium 87 ultra-froids sur puce pour des applications embarquées. Cette source combine, pour la première fois, un réseau de diffraction pour le refroidissement laser et une puce magnétique, permettant ainsi d'augmenter la robustesse et la compacité du dispositif. Je détaille dans ce mémoire le dimensionnement, la fabrication, l'assemblage et la mise en œuvre expérimentale de cette source. Le premier chapitre explique la méthodologie de conception mise en œuvre à partir de simulations numériques exactes du réseau de diffraction. Ces simulations m'ont permis de sélectionner une géométrie de réseau à fabriquer, robuste vis-à-vis des imperfections de fabrication et présentant de bonnes caractéristiques optiques. Ensuite, j'aborde la conception de la puce magnétique utilisée pour le refroidissement par évaporation forcée. Cette puce se distingue par sa capacité à créer un piège magnétique suffisamment confiné à 500 µm de la surface des fils, distance nécessaire pour placer le réseau de diffraction au-dessus des fils. Le dernier chapitre du manuscrit présente les performances de la source. J'y montre l'intérêt d'utiliser un faisceau à profil d'intensité plat pour le refroidissement laser sur réseau, permettant d'augmenter le nombre d'atomes piégés grâce à un meilleur équilibre de la pression de radiation et une meilleure utilisation de la puissance optique. Par la suite, je présente et discute la séquence expérimentale. Cette dernière, réglée à l'aide d'un algorithme d'optimisation bayésien, permet de charger 20 millions d'atomes dans le piège magnétique comprimé. Enfin, je montre qu'à l'issue du refroidissement par évaporation forcée, un condensat de Bose-Einstein de 35 000 atomes a été obtenu. Ce résultat constitue la première preuve de principe d'une source d'atomes ultra-froids réalisée à partir d'une puce magnétique à réseau. Les perspectives d'amélioration de cette technologie semblent indiquer qu'elle pourrait offrir une solution compétitive pour la génération d'un fort flux d'atomes ultra-froids pour les futurs capteurs quantiques embarqués.
Un "laser à atomes" est un faisceau atomique extrait d'un condensat de Bose-Einstein, nuage d'atomes piégé et refroidi jusqu'à la dégénérescence quantique. Dans la perspective de futures applications de cette source atomique cohérente, par exemple à l'interférométrie atomique de précision, il est nécessaire de bien maîtriser les propriétés du faisceau. Certaines caractéristiques, en particulier, rendent les lasers à atomes bien différents des lasers photoniques, comme la présence d'interactions fortes entre les atomes, et leur sensibilité à la gravité. Nous rapportons dans cette thèse une étude du mode transverse d'un laser à atomes, et montrons que celui-ci est fortement dégradé par les interactions avec le condensat-source. Par extension du formalisme existant pour les ondes optiques, nous caractérisons le faisceau par un facteur de qualité M2. Dans un deuxième temps, nous mettons en oeuvre une méthode permettant de s'affranchir de la gravité, qui habituellement accélère les atomes et fait décroître très rapidement la longueur d'onde de de Broglie de l'onde de matière. Nous utilisons pour cela un guide optique, formé d'un piège dipolaire très anisotrope, pour guider le laser à atomes horizontalement. Nous obtenons ainsi un laser à atomes dont la longueur d'onde est fixe au cours de la propagation, de l'ordre de 0.5 μm. Afin d'injecter de manière efficace le faisceau dans le guide, nous créons le condensat dans le piège hybride obtenu à l'intersection du guide optique et d'un piège magnétique. Nous montrons que cette configuration assure intrinsèquement une bonne adaptation de mode.
Ce manuscrit présente différents aspects expérimentaux et théoriques concernant un système propre à l'optique atomique : le laser à atomes. Dans notre expérience, celui-ci est issu d'un condensat de Bose-Einstein de Rubidium 87. Aussi, dans un premier temps, nous détaillons les différentes techniques de refroidissement que nous mettons en oeuvre pour obtenir cette source atomique cohérente dans un piège ferromagnétique hybride. Les lasers à atomes que nous réalisons sont extraits du nuage condensé par radiofréquence, et se propagent verticalement sous l'effet de la gravité. Une spécificité de notre expérience réside dans le fort confinement magnétique utilisé, ce qui a pour conséquence de rendre importantes les interactions collisionnelles entre le laser et le condensat-source. Nous montrons que ceci a une influence, non seulement sur la dynamique de couplage du laser, mais aussi sur sa propagation. Nous observons en effet une structure transverse du faisceau laser contenant des caustiques. En utilisant des méthodes initialement développées pour l'optique photonique (approximation iconale, intégrale de Fresnel-Kirchhoff, matrices ABCD), nous calculons la fonction d'onde du laser à atomes. De plus, nous caractérisons la propagation de l'onde de matière dans le régime paraxial à l'aide du facteur de qualité M2. Enfin, nous rapportons la réalisation d'un laser à atomes guidé par un potentiel optique horizontal, ce qui nous permet d'annuler l'accélération due à la gravité de telle façon à ce que la longueur d'onde de De Broglie reste constante tout au long de la propagation.